园艺笔记 04：光照
植物生长离不开光，就像我们离不开空气一样。光环境对植物来说，主要看三个要素：光照的强度、光照的时长以及光的颜色。光不仅能帮助植物进行光合作用，产生生长所需的能量，还能作为一种信号，影响植物的长相和形态。即使在光线较弱的情况下，植物也能通过感受不同颜色的光，来调整自己的生长，让自己更好地适应周围的环境。这就是光在园艺中的神奇作用。
光合作用
植物光合作用（Photosynthesis）指植物利用光能通过叶绿素等光合色素将二氧化碳和水转化为储存能量的有机物，并释放出氧气的生化过程。
光合作用的化学方程式：
即：六分子二氧化碳和六分子水在光能的作用下生成一分子葡萄糖和六分子氧气。
影响光合作用速率的因素：
- 光照强度：在一定范围内，光照越强，光合作用的速率越高。但当光照强度超过植物所能承受的最大值时，光合作用的速率不再增加，甚至会下降。
- 二氧化碳浓度：在一定范围内，增加二氧化碳浓度可以提高光合作用的效率。
- 水分：水是光合作用的原料之一，缺水会直接影响光合作用的进行。
- 湿度：干旱时，植物关闭气孔以减少水分蒸发，同时阻碍了二氧化碳的进入，降低光合效率。而过高的湿度可能引发植物病害。
- 温度：高温环境下，叶绿素的合成受阻，导致叶片中叶绿素含量下降。低温时，植物会关闭气孔以保持体温，这会降低二氧化碳的吸收，影响光合速率。
光合有效辐射
传统上，光合有效辐射（Photosynthetic Active Radiation, PAR）被定义为波长在 400–700 nm 范围内的光。然而，近年来的研究表明，700–750 nm 波段的远红光（红外光）与PAR波段的光具有协同作用，可以提高光合作用的效率。因此，PAR 的定义被扩展到 400–750 nm，这一范围被称为增强光合有效辐射（Enhanced Photosynthetic Active Radiation, ePAR）。需要注意的是，ePAR 的效应并非在所有植物物种上都相同，因此不同植物种类的光合作用响应可能会有所不同。光波长是影响光合作用效率的关键因素之一。
蓝光
- 波段：400–500 nm
- 光合作用效率：蓝光是光合作用的重要波段，效率较高。
- 对植物生长的影响：
- 促进根系生长，使植株更稳固。
- 促进叶绿素的形成，提高光合作用效率。
- 抑制茎叶生长，使植株更矮壮。
- 促进开花，缩短花期。
绿光
- 波段：500–600 nm
- 光合作用影响：
- 弱光环境下：对光合作用影响较小。
- 强光环境下：绿光和红光的效率接近，绿光能够穿透叶片较深的层次，有助于植物内部叶片的光合作用。
- 对植物生长的影响：
- 绿光对植物下部叶片光合与生长有调节作用。
- 不同植物对绿光的响应存在差异。
红光
- 波段：600–700 nm
- 光合作用影响：红光是最有效的促进光合作用的光波段，能够提高光合作用效率。
- 对植物生长的影响：
- 促进茎叶生长，增强植株的健壮性。
- 抑制开花，延长花期。
远红光
- 波段：700–750 nm
- 光合作用影响：
- 远红光单独照射时对光合作用的促进作用较小，但与 PAR 光子（400-700 nm）协同作用时能显著提高光合作用效率。
- 远红光能够促进茎叶伸长，但抑制叶绿素的形成，降低光合作用效率。
- 对植物生长的影响：
- 促进开花，缩短花期。
- 可能导致徒长现象（茎伸长、叶柄伸长、叶片数量减少，单个叶片面积增大），特别是在光线较弱的环境中。
- 占比限制：远红光子占比不能超过总光通量的 30%，或者 400-700 nm 光通量的 40%，以避免植物徒长。
常见的光源光谱分布
光照强度
光补偿点与光饱和点
植物的光合作用对光的需求强度存在两个平衡点：
- 光补偿点：光合作用的效果等于呼吸作用的效果，超过这个光照强度，植物才能正常生长，是植物的最低光照需求。光补偿点因植物种类和生长环境而异。
- 光饱和点：达到这个光照强度，植物的光合作用就达到峰值，超过就会对植物有损伤。
也就是说植物正常生长的光照范围是在光补偿点与光饱和点之间。在这个光照范围内，植物能够有效地进行光合作用，合成足够的有机物质来支持其生长和发育。
光补偿点、光饱和点：阳生植物 ＞ 阴生植物
了解光照强度单位
- Lux（勒克斯）：
- Lux 是光照强度的单位，用于描述每平方米面积上接收到的光通量。1 Lux 等于每平方米1流明的光通量。
- Lux 常用于一般照明设计中，它通常用于衡量可见光的强度，即人眼可以感知的光。
- 在园艺中，Lux 可以用来提供一个大概的照明水平指标，但它不考虑光的波长，因此并不是衡量植物光合作用的最佳单位。
- PPFD（Photosynthetic Photon Flux Density，光合光子通量密度）：
- PPFD 是指单位面积上每秒通过的光合有效光子数量，单位是 μmol·m⁻²·s⁻¹（微摩尔每平方米每秒）。
- PPFD 是衡量植物光合作用效率的一个更准确的指标，因为它专注于 PAR（400–700 nm）波长范围内的光子，这是植物进行光合作用最有效的波段。
- 在园艺照明中，了解 PPFD 可以帮助精确控制植物的生长环境，特别是在使用人工光源时。
- ePPFD（Extended Photosynthetic Photon Flux Density，拓展光合光子通量密度）：
- ePPFD 是对 PPFD 的一个补充，扩展到 400–750 nm 波长范围，包含远红光。
PPFD 与 Lux 转换系数表
⚠️ 由于不同光源的光谱分布不同，PPFD 与 Lux 的转换系数也会有所变化。
转换公式为：
- Lux 转 PPFD：PPFD = Lux × 对应光源的转换系数
- PPFD 转 Lux：PPFD = PPFD × 对应光源的转换系数
| 光源 | PPFD 转 Lux 转换系数 | Lux 转 PPFD 转换系数 |
|---|---|---|
| 色温 6500 K 的自然光 | 43 | 0.0230 |
| 色温 6500 K 的高显色 LED 灯 | 58 | 0.0172 |
| 色温 4000 K 的高显色 LED 灯 | 56 | 0.0178 |
| 色温 3000 K 的高显色 LED 灯 | 52 | 0.0190 |
| 色温 6500 K 的低显色 LED 灯 | 74 | 0.0134 |
| 色温 3500 K 的低显色 LED 灯 | 62 | 0.0160 |
| 色温 2000 K 的高压钠灯 | 77 | 0.0130 |
| 色温 3000 K 的卤素灯 | 28 | 0.0346 |
| 色温 3000 K 的陶瓷金属卤素灯 | 55 | 0.0182 |
| 色温 5000 K 的荧光节能灯 | 74 | 0.0135 |
| 单色红光 LED 灯 650 nm | 13 | 0.0769 |
| 单色蓝光 LED 灯 450 nm | 9 | 0.1156 |
| 紫光 LED 灯 450 + 650 nm | 11 | 0.0887 |
| RBW 灯 450 + 650 nm + 3500 K （红、蓝、白一比一搭配的 LED 灯） | 39 | 0.0257 |
不同植物对于光照的需求
| 植物 | PPFD | Lux | |
|---|---|---|---|
| 苔藓 | 10–80 | 500–4,000 | 散射光 |
| 荫生蕨类 秋海棠 | 80–200 | 4,000–10,000 | 散射光 |
| 花烛 | 60–240 | 3,000–12,000 | 明亮散射光 |
| 龟背竹 蔓绿绒 | 160–300 | 8,000–15,000 | 明亮散射光 |
| 海芋 | 200–400 | 10,000–20,000 | 间接直射光 |
| 蔬菜瓜果 | 240–500 | 12,000–25,000 | 间接直射光 |
| 多肉 块根 灌木 | 300–1,000 | 15,000–50,000 | 直射光，可暴晒 |
| 乔木 | 500–1,600 | 25,000–70,000 | 直射光，可暴晒 |
| 用途 | PPFD |
|---|---|
| 播种、繁殖 | ＜100 |
| 蔬菜、绿植 | 150–400 |
| 蔬菜生产、壮苗阶段 | 350–500 |
| 花卉、水果 | 400–800 |
| 单独加了二氧化碳的花卉 | 600–1100 |
判断光照强度
1. 肉眼观察
⚠️ 表格数据是基于本人广东的住处而测量，仅供参考。
| 天气 | 位置 | LUX |
|---|---|---|
| 晴天 | 阳光直射处 | ＞100,000 |
| 阳光直射透明玻璃 | 50,000–80,000 | |
| 阳光直射遮阳网下 | 10,000–15,000 | |
| 室内南阳台附近 | 3000–10,000 | |
| 室内北阳台附近 | 500–3,000 | |
| 阴天 | 室外 | 500 |
| 室内 | ＜500 |
- 常见的养护环境的光照由强到弱依次是：花园/露台 ＞ 南阳台 ＞ 西阳台 ＞ 东阳台 ＞ 北阳台 ＞ 室内
- 透过玻璃的光照强度是要打折扣的，因为阳光中的各种波段的光线对植物的生长有着不同的作用，而玻璃或多或少都会过滤掉部分波段，更不用说具有隔热或隔紫外线覆膜的玻璃。
- 肉眼观察存在误差较大的可能性，仅作为大致判断。
2. 手机光度计应用程序
使用像 PHOTONE、DevCheck 等 App 可以较为准确地测量环境中的光照强度。
3. 使用光照计测量
这是最为准确的测量方式。光照计能够精确地测量光照的强度和波长范围，适合用于精确的植物养护。
光周期
光周期（Photoperiod）是指植物的生长发育和开花对日长（光照时间）和夜长（黑暗时间）的响应。光周期现象是植物长期适应地球不同纬度季节性变化的结果，植物通过感知一天中的光照和黑暗的持续时间来调节其生理过程，特别是开花和休眠。
植物根据其对光周期的反应可以分为以下几类：
- 长日植物（短夜植物）：这类植物（如禾本科、十字花科、菊科等）在一天中获得足够长时间的光照后才能开花。它们通常在春末或夏季开花，当日长超过一定的临界值时，如 12 小时或更长时间。
- 短日植物（长夜植物）：这类植物（如豆科、桑科、草莓、秋海棠等）在一天中的光照时间短于一定临界值时才能开花。它们通常在秋季或春季开花，当日长小于 12 小时或更短时间。
- 日中性植物：这类植物（如茄科、蔷薇科、石蒜科等）的开花不受日长的影响，开花可能仍然受到温度等其他环境因素的影响。
我们能利用光周期诱导长日植物或短日植物在特定时间准时开花，合理的光周期管理还能提升作物产量。
光合有效辐射日累积量
光合有效辐射日累积量（Daily Light Integral，DLI）是衡量植物在一天内接受的光合有效辐射总量的指标。它表示在 24 小时内，单位面积（通常为每平方米）所接收到的光子总量，单位是 mol·m⁻²·d⁻¹（摩尔每平方米每天）。
计算公式如下：
DLI = PPFD × 每日光照小时 × 3600 ÷ 1,000,000
式中 3600 为每小时的总秒数，1,000,000 是将秒转换为天的系数。
以 PPFD 为 200 µmol·m⁻²·s⁻¹，日光照时数为 16 小时为例，DLI 的计算过程如下：
DLI = 200 × 16 × 3600 ÷ 1,000,000
计算结果应为：
DLI = 11.52 mol·m⁻²·s⁻¹
例如，像白鹤芋这样的植物 ，它偏好 4–10 mol·m⁻²·s⁻¹ 范围的 DLI，我们可以看到上面的灯光 11.52 mol·m⁻²·s⁻¹ 有点太亮了，所以我们有几个选择：
- 直接降低光线亮度。
- 增加植物与光源之间的距离。
- 缩短光照时长（此选项并不推荐，因为减少光周期，高光照强度仍可能晒伤植物）。
找到植物适合的 PPFD 和 DLI
向光性
向光性（Phototropism）是植物对光线的方向性生长反应，由光谱中的红光和蓝光引发的生物学现象，它有助于植物最大化地吸收阳光进行光合作用。通常表现为植物的茎、叶等器官倾向于生长向光源的方向。
植物器官对光线的不同生长反应：
- 正向光性：向着光生长。如：茎和叶经常会把自身朝向光源。
- 负向光性：远离光生长。如：根倾向于朝着背光方向弯曲。
利用向光性，我们可以每隔几天将植株转动 90 度，让每一面都接受充足的日照并均匀生长，可防止植株随时间的推移畸形发育（俗称「长歪了」）。
植物补光灯
如何选购植物补光灯？
在选购植物补光灯时，需要考虑以下关键因素：
- 光谱：植物主要吸收红光和蓝光，选择提供这两种光的灯具有助于光合作用。全光谱灯具接近自然光，适合不同生长阶段的植物。
- 显色指数：显色指数（Color Rendering Index，CRI）是衡量灯光显示物体颜色真实度的指标，范围 0–100，数值越高，颜色还原越真实。选择高显色指数（80 以上）的灯具，有助于观察植物健康状态和颜色的真实还原。
- 光照强度：对于植物的生长至关重要，确保能满足植物的光照需求，选择可调节强度的灯具更灵活。
- 长期成本：综合考虑灯具价格、使用寿命长和电费成本，有些初期投资较高，但长期使用成本较低，也可搭配不同灯具或叠加数量使用以降低成本。
常见的植物补光灯
量子板
- 优点：功率大，一般配有少量的红蓝灯珠，整体光效比纯白光高 20–30%
- 缺点：大部分产品没有聚光镜，光照随着距离衰减非常严重，只能吊装在距离植物近点的地方照射。显色指数不会太好，产品质量参差不齐。
- 适用于：需要吊装，适合大部分植物，对于灯本身颜值不是太在意的花友。
- 购买建议：直接问老板用的什么灯珠，现在比较好的就是三星的 301 系列。
射灯
- 优点：美观、照射距离远。不限于植物灯这种小众行业，很容易找到显色好又便宜的灯。可以安在天花板或者墙上，融入家装。
- 缺点：需要预留线路或者轨道，安装不方便，近距离照射光照不均匀，而且近距离光照过强。一般需要搭配多盏灯离远点一起使用。
- 适用于：对光照要求不那么高的阴生植物，或者追求美观的场景，比如花烛、蔓绿绒、龟背竹、上墙的鹿角蕨、蝴蝶兰等等
- 购买建议：选择显色指数高的产品，如果需要装轨道，建议选择功率 30 瓦以上的灯。
灯管
- 优点：好隐藏，可选尺寸非常多，且价格便宜。
- 缺点：大部分产品没有聚光镜，光照随着距离衰减非常严重，且单根功率不高。
- 适用于：长的矮的植物，比如兰花、多肉等。如果是给多肉补光需要多并排安装几根，这样照度才足够。
- 购买建议：哪家性价比高买哪家，照度不够数量来凑。
紫光灯
- 优点：光照效率最高，非常省电，整体光效比纯白光高 4–5 倍。
- 缺点：光的颜色太丑，难以观察植物状态和识别病虫害。
- 适用于：大棚规模化养殖、散热差的小型封闭环境。
- 购买建议：买农用的就行。
平衡光照与休息
使用补光灯时，应考虑植物的光周期，为植物提供适当的光照和休息时间。大多数室内植物需要每天大约 12–16 小时的光照来支持其光合作用和生长。
夜晚是植物进行呼吸作用的时段，此时植物会消耗光合作用期间储存的养分，并释放能量以维持基本的生命活动。如果夜间持续给植物补光，会干扰植物的自然生理节律，导致新陈代谢紊乱。这种紊乱可能会影响植物的正常生长，甚至导致生长不良或健康问题。
光照管理
- 选择合适的种植地点：根据植物对光照的需求，选择合适的种植地点。耐晒植物应选择阳光充足的地方种植，耐阴植物则可以选择在散射光条件下种植。
- 植物间距：合理调整植物间距，有助于植物叶片充分接收光照，避免因植物相互遮挡而影响光照效果。在种植过程中，应根据植物的生长习性和对光照的需求，适当调整植物间距。
- 观察植物的反应：光照不足会导致植物生长缓慢、叶片黄化脱落、徒长、开花受阻；光照过强会导致植物叶片灼伤干枯、生长受阻、甚至植物死亡。
- 定期清洁叶片：定期清洁植物叶片可以提高光照透过率，从而使植物能够更有效地进行光合作用。
- 季节性调整：季节变化对光照强度和时长有很大影响。在春季和秋季，光照强度适中，植物生长较为适宜。夏季光照强度较高，需注意遮荫和补水，以防植物受到光照伤害。冬季光照时长较短，对于长日照植物，可以通过人工补光来满足其生长需求。
参考资料
- 植物生长 LED 人工光环境技术报告
- 所以植物需要补光灯吗？
- 补光灯从此不再是玄学！！
- 明亮散射光到底是啥？？？
- 常见植物补光灯的优缺点
- Is 13.5k lux enough for overwintering my cacti and succulents?
- Why Far-Red Photons Should Be Included in the Definition of Photosynthetic Photons and the Measurement of Horticultural Fixture Efficacy
- Far-red photons have equivalent efficiency to traditional photosynthetic photons: Implications for redefining photosynthetically active radiation
- Blue and Far-Red Light Affect Area and Number of Individual Leaves to Influence Vegetative Growth and Pigment Synthesis in Lettuce
- Substituting Far-Red for Traditionally Defined Photosynthetic Photons Results in Equal Canopy Quantum Yield for CO2 Fixation and Increased Photon Capture During Long-Term Studies: Implications for Re-Defining PAR
